波浪振动式发电装置

◎湖南省株洲市田心中学 黄安然

研究背景：

有一次，我去海边玩，看到海面上有很多波浪，心想：这些波浪可以用来发电吗？波浪能是一种清洁能源，可以将它们利用起来。于是，我决定利用所学的物理知识设计一种新型的波浪振动式发电装置。这种装置不仅可以用来建立水上波浪发电场，还适用于轮船在水上航行时发电，具有广泛的推广应用价值。

设计思路：

利用振动发电的设计和专利有很多，一种是利用压电片受到压力冲击发电，另一种是利用永久磁铁在空心电磁线圈内运动切割磁感线发电，发电效率都不高，最后都没有转化成实用的产品。

我尝试对直流电磁继电器进行逆向应用，利用振动让动铁片与线圈芯轴闭合或断开，发明一种在单位时间内磁通量变化率大的波浪振动式发电装置。

作品结构：

我根据设计思路绘制了波浪振动式发电装置结构图。波浪振动式发电装置由浮漂、固定支架、轴承、连接带、拉杆、振动发电机和发光二极管等构成，浮漂在水面沉浮，可以左右摆动。

振动发电机是波浪振动式发电装置的主要部件，由线圈、软铁框架、弹簧、动铁片和永久磁铁等构成。

图1 波浪振动式发电装置结构图

图2 振动发电机结构图

基本原理：

方形塑料水槽中的水模拟水面波浪，“波浪”出现时，会带动固定支架、浮漂、连接带和拉杆运动，拉杆运动从而带动动铁片运动。

当处于静态时，永久磁铁产生的磁力使动铁片与软铁框架接触产生闭合磁路，线圈内磁通量最大；当受到拉杆传递过来的外力时，动铁片与软铁框架分开，磁路断开，此时磁通量非常小；当外力消失时，动铁片又与软铁框架形成闭合磁路。这样反复通断的磁路在线圈上产生正负变化的交流电压，使得发光二极管发光。

制作过程：

1.制作模拟波浪发生装置。我往方形塑料水槽中倒入适量的水，在方形塑料水槽下安装滑轮、弹簧，用热熔胶连接固定。

2.制作振动发电机。我拆开一个直流电磁继电器，将触点部分拆卸下来，利用其中的动铁片、软铁框架和线圈。在动铁片上粘接几片永久磁铁，让永久磁铁、动铁片和软铁框架形成一个磁力较大的固定磁场。接着，在线圈上焊接两根导线，并焊上两个发光二极管。手动断开和闭合动铁片和软铁框架，发光二极管发光，说明振动发电机可以正常工作。

3.找来一个空心塑料盒用作浮漂，将振动发电机固定在空心塑料盒里。再在振动发电机的动铁片上粘接一根塑料管作为拉杆，并使塑料管延伸到空心塑料盒外面。

4.用塑料管制作固定支架，固定支架通过轴承连接“浮漂”，这样，“浮漂”在固定支架内可以随“波浪”运动。

5.将两根连接带的两端分别连接固定支架和拉杆，这样，当“浮漂”摆动时，可以通过固定支架、连接带带动动铁片运动，使振动发电机发电。

波浪振动式发电装置制作完成后，我进行效果测试。我摇晃方形塑料水槽，模拟波浪发生，可以看到发光二极管发光闪烁，说明装置效果达到了预期目标。

图3 作品实物图

创新点：

波浪振动式发电装置利用磁通量突变原理发电，对振动幅度要求很低，毫米级振动就能发电，而且效率很高，为实现波浪振动式发电的广泛普及提供了新思路。这种装置还能当作物理教具，演示潮汐发电，设计巧妙，效果明显。

图4 演示测试

进一步完善的设想：

合理设计浮漂形状，将浮漂沉在水中的部分设计成圆形，制作大型浮漂和固定支架；选用磁导率更高的材料制作软铁框架和动铁片；研制大功率专用振动发电机，提高发电效率。同时，添加整流调节装置，与电网并网，为我国新能源事业的发展作出贡献。

研究体会：

在前期准备时，我自学了很多电磁学知识，通过文献了解了很多利用振动发电的产品，也实地考察了发电厂，请教了老师和咨询相关专家。在制作作品过程中，我学会了电路连接、电路焊接、热熔胶枪的使用等。这次发明制作，我收获满满，感受到了无穷的乐趣，更加坚定了为建设科技强国而努力学习的决心。

（指导老师：罗玉林）

专家点评

黄安然同学的波浪振动式发电装置是一件创新实践作品。这件作品的完成，主要体现了：其一，黄安然同学具有清洁能源利用与创新实践意识。她从内地来到海边，看到海面上有很多波浪，就想到波浪能是一种清洁能源，可以将它利用起来发电，于是便开启了创新实践之旅。其二，黄安然同学具有较好的知识和技术应用能力。虽然这个作品并不复杂，但是要把它做出来，装配好，产生实际效果，对于一个初中生来说，也是有一定难度的。

希望同学们都能够像黄安然同学一样，关注和发现生活中的问题，同时善于动手实践来解决问题，走向像科学家工作似的学习场景，创新成长。

要告诉大家的是，目前国际上比较成熟的波浪发电装置已有三种类型：第一种是振荡水柱型，利用压缩空气驱动叶轮带动发电装置发电；第二种是机械型，通过中间介质推动转换发电装置发电；第三种是水流型，利用收缩水道将波浪引入高位水库形成水位差，驱动水轮发电机组发电。